运算放大器康华光第五版.ppt

2 1集成电路运算放大器 2运算放大器 2 2理想运算放大器 2 3基本线性运放电路 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 在半导体制造工艺的基础上 把整个电路中元器件制作在一块硅基片上 构成特定功能的电子电路 称为集成电路 简单来说 集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路 集成电路按其功能来分 有数字集成电路和模拟集成电路 模拟集成电路种类繁多 有运算放大器 宽频带放大器 功率放大器 模拟乘法器 模拟锁相环 模数和数模转换器 稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等 引言 模拟集成电路的特点 电阻值不能很大 精度较差 阻值一般在几十欧至几十千欧 需要大电阻时 通常用恒流源替代 电容利用PN结结电容 一般不超过几十pF 需要大电容时 通常在集成电路外部连接 不能制电感 级与级之间用直接耦合 二极管用三极管的发射结代 比如由NPN型三极管短路其中一个PN结构成 运算放大器外形图 2 1集成电路运算放大器 1 集成电路运算放大器的内部组成单元 图2 1 1集成运算放大器的内部结构框图 集成运算放大器是一种高电压增益 高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路 运算放大器方框图 输入级 均采用差动放大电路组成 可减小温度漂移的影响 提高整个电路共模抑制比 2 中间级 多采用有源负载的共射极放大电路 有源负载及复合管可提高电压增益 3 输出级 互补对称功放 4 偏置电路 用以供给各级直流偏置电流 由各种电流源电路组成 表示信号从左 输入端 向右 输出端 传输的方向 集成运算放大器的符号 vN或v 反相输入端 信号从此端输入 vP 0 输出信号和输入信号反相 vP或v 同相输入端 信号从此端输入 vN 0 输出信号和输入信号同相 vO 输出端 图2 1 2运算放大器的代表符号 a 国家标准规定的符号 b 国内外常用符号 2 运算放大器的电路模型 图2 1 3运算放大器的电路模型 通常 开环电压增益Avo的 105 很高 输入电阻ri 106 很大 输出电阻ro 100 很小 vO Avo vP vN V vO V 注意输入输出的相位关系 2 运算放大器的电路模型 当Avo vP vN V 时vO V 当Avo vP vN V 时vO V 电压传输特性vO f vP vN 线性范围内vO Avo vP vN Avo 斜率 电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 集成运放的工作区域 线性区域 Aod为差模开环放大倍数 非线性区域 输出电压只有两种可能的情况 UOM或 UOM UOM为输出电压的饱和电压 例2 2 1电路如图2 1 3所示 运放的开环电压增益Avo 2 105 输入电阻ri 0 6M 电源电压V 12V V 12V 1 试求当vo Vom 12V时输入电压的最小幅值vP vN 输入电流ii 2 画出传输特性曲线vo f vP vN 说明运放的两个区域 图2 1 3运算放大器的电路模型 例2 2 1电路如图2 1 3所示 运放的开环电压增益Avo 2 105 输入电阻ri 0 6M 电源电压V 12V V 12V 1 试求当vo Vom 12V时输入电压的最小幅值vP vN 输入电流ii 图2 1 3运算放大器的电路模型 解 由 当vo Vom 12V时 例2 2 1电路如图2 1 3所示 运放的开环电压增益Avo 2 105 输入电阻ri 0 6M 电源电压V 12V V 12V 2 画出传输特性曲线vo f vP vN 说明运放的两个区域 解 取a点 60 V 12V b点 60 V 12V 连接a b两点得ab线段 其斜率Avo 2 105 vP vN 60 V 则运放进入非线性区 运放的电压传输特性如图所示 2 2理想运算放大器 1 vo的饱和极限值等于运放的电源电压V 和V 2 运放的开环电压增益很高若 vP vN 0则vO Vom V 若 vP vN 0则vO Vom V 3 若V vO V 则 vP vN 0 4 输入电阻ri的阻值很高使iP 0 iN 0 5 输出电阻很小 ro 0 图2 2 1运放的简化电路模型 三 理想运放的非线性工作区 UOM UOM 图7 1 3集成运放的电压传输特性 工程上理想运放的参数 1 差模电压放大倍数Avd 实际上Avd 80dB即可 2 差模输入电阻Rid 实际上Rid比输入端外电路的电阻大2 3个量级即可 3 输出电阻Ro 0 实际上Ro比输入端外电路的电阻小1 2个量级即可 1 虚短 vp vn 或vid vp vn 0 由于运放的电压放大倍数很大 一般都在80dB以上 而运放的输出电压是有限的 一般在10V 14V 因此运放的差模输入电压不足1mV 两输入端近似等电位 相当于 短路 开环电压放大倍数越大 两输入端的电位越接近相等 虚短 是指在分析运算放大器处于线性状态时 可把两输入端视为等电位 这一特性称为虚假短路 简称虚短 显然不能将两输入端真正短路 理想运算放大器的特性 2 虚断 ip in vp vn ri 0 由于运放的差模输入电阻很大 一般都在1M 以上 因此流入运放输入端的电流往往不足1 A 远小于输入端外电路的电流 故通常可把运放的两输入端视为开路 且输入电阻越大 两输入端越接近开路 虚断 是指在分析运放处于线性状态时 可以把两输入端视为等效开路 这一特性称为虚假开路 简称虚断 显然不能将两输入端真正断路 理想运放工作在线性区的几个重要法则 2 Ii Ii 0虚断 1 V V 虚短 集成运放工作在线性区时有 又 即 输入偏流 虚短和虚断 理想运放工作在非线性区的特点 2 Ii Ii 0虚断仍然成立 1 只要输入电压V 与V 不相等 输出电压就饱和 即有 对理想运算放大器 V V 是正负两种饱和状态的转换点 综上所述 在分析具体的集成运放应用电路时 可将集成运放按理想运放对待 根据理想运放分别工作在线性区或者非线性区的特点来分析电路的工作原理 一般来说集成运放引入深度负反馈时 工作在线性区 集成运放引入正反馈或开环状态时 工作在非线性区 2 3基本线性运放电路 2 3 1同相放大电路 2 3 2反相放大电路 2 3 1同相放大电路 a 电路图 b 小信号电路模型图2 3 1同相放大电路 1 基本电路 2 3 1同相放大电路 2 负反馈的基本概念 反馈 将放大电路输出量 通过某种方式送回到输入回路的过程 瞬时电位变化极性 某时刻电位的斜率 电路有vo Avo vp vn 引入反馈后 vn 0 vp vi 不变 vp vn vo 使输出减小了 增益Av vo vi下降了 这时的反馈称为负反馈 4 4 2射极偏置电路 1 稳定工作点原理 目标 温度变化时 使IC维持恒定 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现静态工作点的稳定 T IC IE VE VB不变 VBE IB 反馈控制 1 基极分压式射极偏置电路 a 原理电路 b 直流通路 2 3 1同相放大电路 3 虚假短路 图中输出通过负反馈的作用 使vn自动地跟踪vp 即vp vn 或vid vp vn 0 这种现象称为虚假短路 简称虚短 由于运放的输入电阻ri很大 所以 运放两输入端之间的ip in vp vn ri 0 这种现象称为虚断 由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念 是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器 必须熟练掌握 2 3 1同相放大电路 4 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vp vn ip in 0 所以 可作为公式直接使用 2 3 1同相放大电路 4 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻Ri 输入电阻定义 根据虚短和虚断有vi vp ii ip 0 所以 3 输出电阻Ro Ro 0 特点 输入电阻高 输出电阻小 带负载能力强V V Vi 所以共模输入等于输入信号 对运放的共模抑制比要求高 2 3 1同相放大电路 5 电压跟随器 根据虚短和虚断有 vo vn vp vi 可作为公式直接使用 输入电阻大输出电阻小 能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小 电压跟随器的作用 无电压跟随器时负载上得到的电压 电压跟随器时 ip 0 vp vs 根据虚短和虚断有 vo vn vp vs 2 3 2反相放大电路 a 电路图 b 由虚短引出虚地vn 0图2 3 5反相放大电路 1 基本电路 2 几项技术指标的近似计算 1 电压增益Av 根据虚短和虚断的概念有vn vp 0 ii 0 所以i1 i2 即 可作为公式直接使用 2 3 2反相放大电路 特点 反相端为虚地 所以共模输入可视为0 对运放共模抑制比要求低输出电阻小 带负载能力强要求放大倍数较大时 反馈电阻阻值高 稳定性差 如果要求放大倍数100 R1 100K Rf 10M 2 几项技术指标的近似计算 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro Ro 0 2 3 2反相放大电路 当R2 R3时 1 试证明Vs R3R1 R2 Im 解 1 根据虚断有I1 0 所以I2 Is Vs R1 例2 3 3直流毫伏表电路 2 R1 R2 150k R3 1k 输入信号电压Vs 100mV时 通过毫伏表的最大电流Im max 又根据虚短有Vp Vn 0 R2和R3相当于并联 所以 I2R2 R3 I2 Im 所以 当R2 R3时 Vs R3R1 R2 Im 2 代入数据计算即可 2 4同相输入和反相输入放大电路的其他应用 2 4 1求差电路 2 4 2仪用放大器 2 4 3求和电路 2 4 4积分电路和微分电路 2 4 1求差电路 从结构上看 它是反相输入和同相输入相结合的放大电路 当 则 若继续有 则 根据虚短 虚断和N P点的KCL得 2 4 1求差电路 从放大器角度看 时 增益为 该电路也称为差分电路或减法电路 2 4 1求差电路 一种高输入电阻的差分电路 2 4 2仪用放大器 2 4 3求和电路 根据虚短 虚断和N点的KCL得 若 则有 该电路也称为加法电路 2 4 3求和电路的进一步讨论 8 1 1求和电路 虚短 虚断 特点 调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 称为支路增益 一般 1 1 反相求和电路 2 4 4积分电路和微分电路 1 积分电路 式中 负号表示vO与vI在相位上是相反的 根据 虚短 得 根据 虚断 得 因此 积分运算 即 2 4 4积分电路和微分电路 1 积分电路 根据 虚短 得 根据 虚断 得 因此 即 又 即 2 4 4积分电路和微分电路 当vI为阶跃电压时 有 vO与t成线性关系 1 积分电路 积分电路的用途 将方波变为三角波 积分电路的用途 将三角波变为正弦波 积分电路的用途 可见 输出电压的相位比输入电压的相位领先90 因此 此时积分电路的作用是移相 图7 2 17 2 4 4积分电路和微分电路 2 微分电路 根据 虚短 得 根据 虚断 得 因此 即 若输入 则 高频信号将产生较大的噪声 Auo越大 运放的线性范围越小 必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 例 已知下图所示各电路中的集成运放均为理想运放 1 试说明各运放组成何种电路 2 试分别求解各电路的运算关系 解 图 a 所示电路A1为求和运算电路 A2为积分电路 练习 电路如下图所示 集成运放输出电压的最大幅值为 14V 填表 解 uO1 Rf R uI 10uI uO2 1 Rf R uI 11uI 当集成运放工作到非线性区时 输出电压不是 14V 就是 14V 练习 在下图 a 所示电路中 已知输入电压uI的波形如图 b 所示 当t 0时uO 0 试画出输出电压uO的波形 解 输出电压的表达式为 若t 0时uO 0 则t 5ms时uO 100 5 5 10 3V 2 5V 当uI为常量时 当t 15mS时uO 100 5 10 10 3 2 5 V 2 5V 因此输出波形如下图所示 集成运放的其他应用电路 电压 电流变换电路 测量放大电路 单电源供电放大电路 稳压电源 电压 电流变换电路 电流 电压变换电路 Uo IsRf 电压 电流变换电路 IL Us R1 测量放大电路 电桥放大器 主要用于非电量测量如压力 温度 应变等 RX的阻值随被测量的变化而变 RX R R 当RX R时电桥平衡 Ui 0 Uo 0当RX产生 R变化时 输出电压将变化 Uo Uo正比于 R 当电阻Rf R 且相对变化 R R 1时 输出电压为 Uo URRf 2R 小结 集成运算放大器本质上是一种多级高增益直流放大器 在外部反馈网络配合下 它的输出与输入之间可以灵活地实现各种特定的函数关系 因而具有对不同信号进行组合 运算和处理等多种功能 可实现各种功能电路 采用理想模型分析时要掌握理想运放的主要条件 1 开环电压增益Aud 2 输入电阻Rid 3 输出电阻Ro 0 4 频带宽度 F 5 共模抑制比CMRR 6 失调 漂移和内部噪声为零 小结 理想运放有两种工作作态 线性工作状态特点 1 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 I I 02 理想运放的同相和